昌吉-古泉±1100kV特高壓直流輸電線路甘肅段基礎(chǔ)混凝土耐久性試驗研究

汪春風(fēng) 張 斌 李志宏 馬安剛 于本田 潘成興

（1國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，甘肅 蘭州 730030；2甘肅眾聯(lián)建設(shè)工程科技有限公司，甘肅 蘭州 730070；3蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

1 引 言

昌吉-古泉±1100kV特高壓直流輸電線路工程甘肅段位于河西地區(qū)，線路長度158.083km，海拔高程分布于1500～2000m之間，線路區(qū)域鹽漬土發(fā)育較為強(qiáng)烈，地下水和土壤中含有大量硫酸鹽和氯鹽[1]，加之甘肅地處高寒地區(qū)，冬季存在較長冰凍期。而早在1991年，Mehta教授在第二屆世界國際混凝土耐久性會議上就指出：當(dāng)今世界混凝土耐久性破壞的原因，按重要性遞減順序排列是：鋼筋銹蝕、凍害、侵蝕環(huán)境的物理化學(xué)作用[2]。由此可見，昌吉-古泉±1100kV特高壓直流輸電線路工程甘肅段基礎(chǔ)混凝土耐久性破壞較為嚴(yán)峻，氯鹽會導(dǎo)致基礎(chǔ)混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕，而凍融破壞和硫酸鹽的物理化學(xué)侵蝕會導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生膨脹開裂，剝落，直至破壞，嚴(yán)重影響線路構(gòu)架使用年限。因此昌吉-古泉±1100kV特高壓直流輸電線路甘肅段基礎(chǔ)混凝土要求較高的抗氯離子滲透性、抗凍性和抗硫酸鹽腐蝕性，本文進(jìn)行了不同強(qiáng)度等級混凝土的電通量試驗、凍融循環(huán)試驗和硫酸鹽干濕循環(huán)試驗，掌握不同作用對混凝土耐久性劣化的影響，對保證工程結(jié)構(gòu)使用壽命具有重要意義。

2 試驗

2.1 原材料

1）水泥

水泥采用張掖市巨龍建材有限公司生產(chǎn)的42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥的主要物理、力學(xué)指標(biāo)如表1所示，其余指標(biāo)均滿足《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007）[3]的技術(shù)要求。

2）粉煤灰

粉煤灰采用張掖火電廠生產(chǎn)的F類Ⅱ級粉煤灰，其主要物理、化學(xué)指標(biāo)如表2所示，其余指標(biāo)均滿足《用于水泥和混凝土的粉煤灰》（GB/T 1596-2005）[4]的技術(shù)要求。

3）細(xì)骨料

細(xì)骨料采用臨澤縣盛邦石料廠生產(chǎn)的天然砂，細(xì)度模數(shù)為3.0，為Ⅱ區(qū)中砂，含泥量為1.4%、泥塊含量為0.8%；表觀密度為2650kg/m3、松散堆積密度為1500kg/m3，空隙率為43%。其余物理、化學(xué)指標(biāo)均符合《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 52-2006）[5]中的配制C55以下強(qiáng)度等級混凝土的要求。

表1 試驗用水泥主要物理、力學(xué)指標(biāo)

表2 試驗用粉煤灰主要物理、化學(xué)指標(biāo)

表3 防腐阻銹高效外加劑指標(biāo)

表4 不同強(qiáng)度等級混凝土配合比（kg/m3）

4）粗骨料

粗骨料采用臨澤縣盛邦石料廠的級配碎石，符合5～31.5mm連續(xù)級配，含泥量為0.8%、泥塊含量為0.2%；表觀密度為2700kg/m3、松散堆積密度為1540kg/m3，緊密空隙率為43%。其余物理、化學(xué)指標(biāo)均符合《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 52-2006）中的配制C55以下強(qiáng)度等級混凝土的要求。

5）減水劑

減水劑采用張掖市建鑫新型節(jié)能建材廠生產(chǎn)的JX-1型緩凝性高效減水劑，減水率為19%，泌水率比為31%，含氣量為2.6%；7d抗壓強(qiáng)度比為151%、28d抗壓強(qiáng)度比為143%，28d收縮率為101%。其余物理、化學(xué)指標(biāo)均符合《混凝土外加劑》（GB 8076-2008）[6]中的技術(shù)要求。

6）防腐劑

為提高混凝土的抗硫酸鹽腐蝕性，在混凝土中摻入由蘭州德億建筑科技有限公司生產(chǎn)的DY-6防腐阻銹高效外加劑。其主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

2.2 混凝土配合比

根據(jù)昌吉-古泉±1100kV特高壓直流輸電線路工程基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級的共有四個強(qiáng)度等級，其混凝土配合比如表4所示。

2.3 試驗方法

2.3.1 混凝土抗氯離子滲透性試驗方法

混凝土抗氯離子滲透性試驗采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082-2009）[7]中規(guī)定的電通量法。將每一強(qiáng)度等級的混凝土制作成直徑為100mm，高度為50mm的圓柱體3組共9塊，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d、56d和90d進(jìn)行電通量測試。

2.3.2 混凝土抗凍性試驗方法

混凝土抗凍性試驗采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082-2009）中規(guī)定的快凍法。將每一強(qiáng)度等級的混凝土制作成100mm×100mm×400mm的棱柱體3塊，試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)24d后，取出后在溫度為（20±2）℃的水中浸泡4d，試件在28d齡期開始進(jìn)行凍融試驗，凍融循環(huán)次數(shù)為200次，每25次凍融循環(huán)作一次橫向基頻測量，測量前將試件表面浮渣清洗干凈，擦干表面水分，并檢查其外部損傷及重量損失。

2.3.3 混凝土抗硫酸鹽腐蝕試驗方法

混凝土抗硫酸鹽腐蝕試驗采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082-2009）的方法，即將每一強(qiáng)度等級的混凝土制作成100mm×100mm×100mm的立方體共計11組33塊，其中1組在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，另外10組在28d后分成兩部分，其中試驗組5組，置入5%硫酸鈉溶液的混凝土硫酸鹽干濕循環(huán)箱，進(jìn)行干濕循環(huán)試驗，如圖3所示；對比組5組，繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，與進(jìn)行干濕循環(huán)試驗的試件同時進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗。強(qiáng)度試驗按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2002）[8]進(jìn)行。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 混凝土抗氯離子滲透性試驗結(jié)果與分析

圖1為不同強(qiáng)度等級混凝土試件在不同齡期電通量測試結(jié)果。由圖1分析可知，不同強(qiáng)度等級的混凝土的電通量值隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高，其各齡期電通量值均有不同程度的降低，說明隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高，混凝土的抗氯離子滲透性有明顯改善。這是因為混凝土強(qiáng)度等級的提高，是通過降低混凝土水膠比來達(dá)到的，水泥水化的理論需水量約為26%，而實際混凝土的水膠比為0.45、0.38、0.37和0.35，均大于這個理論值，因此在混凝土凝結(jié)硬化過程中，有部分水分要散失到外部，因此在混凝土內(nèi)部形成水孔，而水膠比越大，凝結(jié)硬化后的孔隙率越大，導(dǎo)致混凝土抗氯離子滲透性降低。

圖1 不同強(qiáng)度等級混凝土在不同齡期電通量測試值

另外，隨著齡期的增長，不同強(qiáng)度等級的混凝土其電通量均有一定程度的降低，這是因為4種混凝土中均摻加了粉煤灰，粉煤灰早期與水反應(yīng)速度較慢，隨著齡期的增長，混凝土中的粉煤灰在激發(fā)劑的作用下開始與水反應(yīng)，并生成相應(yīng)的水硬性水化產(chǎn)物，加之未水化的水泥顆粒繼續(xù)水化，使得混凝土更加密實，其抗氯離子滲透性有所增大。但是，強(qiáng)度等級較低的C30和C35混凝土隨著齡期電通量的值降低的較多，而強(qiáng)度等級較高的C40與C45降低的幅度要小，尤其是C45混凝土，其56d和90d電通量值幾乎沒有變化，這是因為強(qiáng)度等級較低的混凝土其水泥用量較少，而粉煤灰在膠凝材料中占的比例較大，其中C30混凝土粉煤灰摻量為20.1%，C35混凝土粉煤灰摻量為19.8%，粉煤灰早期與水反應(yīng)速度慢，后期由于二次水化反應(yīng)即火山灰作用效應(yīng)，粉煤灰中活性SiO2、Al2O3與水泥熟料中C3S、C2S的水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)，生成更加致密和強(qiáng)度更高的C-S-H膠體使得混凝土的后期強(qiáng)度會有所增長，粉煤灰要發(fā)生水化反應(yīng)需要在氫氧化鈣激發(fā)劑作用下才能反應(yīng)，而氫氧化鈣主要來源于水泥熟料中C3S、C2S反應(yīng)生成，早期粉煤灰基本就沒反應(yīng)，后期隨著氫氧化鈣的生成，粉煤灰開始反應(yīng)，因此混凝土變得更加密實，抗氯離子滲透性增強(qiáng)。雖然C40混凝土的粉煤灰摻量也為19.9%，但是由于水泥用量較多，早期就有足夠的氫氧化鈣激發(fā)粉煤灰反應(yīng)，因此粉煤灰反應(yīng)較早，所以早期混凝土的抗氯離子滲透性提高較快（28d至56d之間），后期反而提高不明顯。C45混凝土因為粉煤灰摻量僅有13.2%，所以早期混凝土電通量降低較快，后期變化不大。

3.2 混凝土抗凍性試驗結(jié)果與分析

圖2 200次凍融循環(huán)后混凝土外觀

圖3 C30混凝土凍融循環(huán)質(zhì)量損失變化曲線

圖4 C30混凝土凍融循環(huán)相對動彈性模量變化曲線

圖2為不同強(qiáng)度等級混凝土在經(jīng)受200次凍融循環(huán)后的外觀。由圖2（a）可以看出，C30混凝土凍融循環(huán)200次時，由于水泥石發(fā)生開裂破壞，試件發(fā)生斷裂，粗骨料由混凝土內(nèi)部剝離脫落，混凝土發(fā)生酥松破壞；C35混凝土在200次凍融循環(huán)后，個別試件出現(xiàn)明顯的貫通裂縫，試件發(fā)生斷裂，但與C30混凝土不同的是，混凝土中粗骨料并未由混凝土內(nèi)部剝離脫落，混凝土未發(fā)生酥松破壞，如圖2（b）所示；C40混凝土在200次凍融循環(huán)后，個別試件因為出現(xiàn)明顯的貫通裂縫而發(fā)生斷裂，但與C35混凝土不同的是，混凝土表面剝離脫落并不嚴(yán)重，如圖2（c）所示；C45混凝土在200次凍融循環(huán)后，試件整體完好，混凝土表面也未出現(xiàn)剝落，如圖2（d）所示。

由圖3、圖4分析可知，對于C30混凝土在凍融循環(huán)為125次前，其質(zhì)量損失和和動彈性模量降低不是很顯著，但是當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到125次時，其質(zhì)量損失顯著增大，動彈性模量顯著降低，當(dāng)達(dá)到150次凍融循環(huán)時，其質(zhì)量損失達(dá)到3.94%，相對動彈性模量僅僅是未凍融破壞時的58.9%，按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082-2009）中規(guī)定，當(dāng)凍融循環(huán)的混凝土相對動彈性模量為初始彈性模量的60%以下時，可判定為混凝土發(fā)生凍融破壞，由此可知，對于C30混凝土其抗凍等級僅為F150。

圖5 C35混凝土凍融循環(huán)質(zhì)量損失變化曲線

圖6 C35混凝土凍融循環(huán)相對動彈性模量變化曲線

圖7 C40混凝土凍融循環(huán)質(zhì)量損失變化曲線

由圖5、圖6分析可知，對于C35混凝土在凍融循環(huán)為150次前，其質(zhì)量損失和動彈性模量降低不是很顯著，但是當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到150次時，其質(zhì)量損失顯著增大，動彈性模量顯著降低，當(dāng)達(dá)到200次凍融循環(huán)時，其質(zhì)量損失達(dá)到3.43%，相對動彈性模量為未凍融破壞時的71.6%，由此可知，C35混凝土其抗凍等級可以達(dá)到F200的要求，但在200次凍融循環(huán)時已經(jīng)接近破壞。

圖8 C40混凝土凍融循環(huán)相對動彈性模量變化曲線

由圖7、圖8分析可知，對于C40混凝土在凍融循環(huán)為200次前，其質(zhì)量損失和和動彈性模量降低不是很顯著，當(dāng)達(dá)到200次凍融循環(huán)時，其質(zhì)量損失僅為0.66%，相對動彈性模量是初始彈性模量的90.0%，C40混凝土其抗凍等級可以達(dá)到F200的要求。

圖9 C45混凝土凍融循環(huán)質(zhì)量損失變化曲線

圖10 C45混凝土凍融循環(huán)相對動彈性模量變化曲線

圖11 C30混凝土干濕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度

由圖9、圖10分析可知，對于C45混凝土在凍融循環(huán)為200次，其質(zhì)量損失和和動彈性模量降低不是很顯著，當(dāng)達(dá)到200次凍融循環(huán)時，其質(zhì)量損失僅為0.51%，相對動彈性模量是初始彈性模量的97.1%， C45混凝土其抗凍等級可以達(dá)到F200的要求。

3.3 混凝土抗硫酸鹽腐蝕性試驗結(jié)果與分析

圖12 C35混凝土干濕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度

圖13 C40混凝土干濕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度

圖14 C45混凝土干濕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度

圖11～圖14為不同強(qiáng)度等級混凝土在經(jīng)受不同干濕循環(huán)次數(shù)后抗壓強(qiáng)度。由圖分析可知，在硫酸鈉溶液干濕循環(huán)條件下，不同強(qiáng)度等級混凝土隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增長，其抗壓強(qiáng)度呈先提高后降低的趨勢。這主要是早期硫酸鈉溶液滲入混凝土內(nèi)部孔隙中，在溫度較高時結(jié)晶填充孔隙，但由于此時膨脹應(yīng)力較小，未導(dǎo)致凝結(jié)硬化的混凝土發(fā)生開裂，且由于填充了混凝土內(nèi)部孔隙，使得混凝土更加密實，使混凝土強(qiáng)度有一定的提高，但隨著干濕循環(huán)的次數(shù)的增多，結(jié)晶不斷產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，使混凝土內(nèi)部原有裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展、連通，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度開始下降。但不同強(qiáng)度等級的混凝土存在兩點不同，一是強(qiáng)度出現(xiàn)降低時的循環(huán)次數(shù)不同，強(qiáng)度等級低的混凝土其強(qiáng)度在循環(huán)次數(shù)較少時就會出現(xiàn)下降，而強(qiáng)度等級較高的混凝土出現(xiàn)強(qiáng)度下降的循環(huán)次數(shù)明顯延遲，C30混凝土強(qiáng)度降低出現(xiàn)在干濕循環(huán)60次后；C35混凝土強(qiáng)度降低出現(xiàn)在干濕循環(huán)80次后；C40混凝土強(qiáng)度降低出現(xiàn)在干濕循環(huán)80次后；C45混凝土強(qiáng)度降低出現(xiàn)在干濕循環(huán)120次后；二是由于C40、C45混凝土本身致密性好，孔隙率小，連通的孔少，使硫酸鈉溶液很難進(jìn)入混凝土內(nèi)部，因此其強(qiáng)度在經(jīng)過120次干濕循環(huán)后，雖然相對中間有所降低，但高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的強(qiáng)度，而C30、C35混凝土由于水膠比大，在經(jīng)歷120次干濕循環(huán)后其強(qiáng)度損失較大，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d時強(qiáng)度。

4 結(jié) 語

1）水膠比越大的混凝土其電通量越大，混凝土的抗氯離子滲透性越差；由于混凝土中摻入粉煤灰，隨著齡期的增長，混凝土抗氯離子滲透性有一定的提高，且提高幅度與粉煤灰摻量正相關(guān)。

2）C30混凝土在凍融循環(huán)過程中，發(fā)生酥松破壞，抗凍等級僅能達(dá)到F150，其余三種混凝土抗凍等級均能達(dá)到F200，且凍融循環(huán)過程中，混凝土破壞隨著混凝土強(qiáng)度的提高而降低。

3）在硫酸鹽干濕循環(huán)作用下，不同強(qiáng)度等級的混凝土的抗壓強(qiáng)度都遵循著先提高后降低的趨勢。但強(qiáng)度由升轉(zhuǎn)降所對應(yīng)的干濕循環(huán)次數(shù)不同，強(qiáng)度等級越高的混凝土出現(xiàn)的越晚，且強(qiáng)度等級高的混凝土經(jīng)過120次干濕循環(huán)后強(qiáng)度仍高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d強(qiáng)度。

[1]中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計院有限公司.準(zhǔn)東-華東±1100kV特高壓直流輸電線路工程施工圖設(shè)計[R].長沙，2016，1.

[2]洪定海.混凝土中鋼筋的腐蝕與保護(hù)[M].北京：中國鐵道出版社，1998.雙線鐵路.

[3]GB175-2007.通用硅酸鹽水泥[S].

[4]GB/T1596-2005.用于水泥和混凝土的粉煤灰[S].

[5]JGJ52-2006.普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6]GB8076-2008.混凝土外加劑[S].

[7]GB/T50080-2016.普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[8]GB/T50082-2009.普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[9]GB/T50081-2002.普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].